CN102491564B - 高悬浮物高矿化度矿井水资源化综合处理技术 - Google Patents
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Abstract
一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水资源化综合处理技术，在矿井原水中投加混凝剂，以使水中悬浮胶体微粒颗粒通过压缩双电层脱稳的常规处理之后，采用微滤膜第一级过滤、超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤三膜逐级过滤技术。矿井原水经微滤膜第一级过滤后，出水水质可供煤矿井下生产需要；经超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，并经O3消毒，出水水质可供生活饮用需要。根据不同矿化度的水质采用不同的反渗透膜自动反冲洗技术和反冲洗化学药剂配方，解决了高矿化度矿井水反渗透系统的运行效果不佳的问题，提高出水水质和水处理系统的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿矿井水资源化的处理技术，尤其是一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理技术。
背景技术
众所周知，在煤炭开采的过程中，会产生大量的矿井水。矿井水是指在采煤过程中所有渗入井下采掘空间的水，包括地面渗透水和岩体裂隙水。根据《煤炭工业“十五”及远景发展规划》采1吨煤排放1.78吨矿井水统计，2010年将排放矿井水33.8亿吨，2020年将排放矿井水39.1亿吨。由于矿井水在含水层赋存区由于赋存介质的长期溶滤、溶解作用，矿井水与煤岩层接触发生一系列物理、化学和生化反应而形成高矿化度、高硬度的水质特征，使矿化度甚至高达5000mg/L及总硬度达2000 mg/L以上，并且矿井水在流经采煤工作面和巷道时，由于带入大量煤粉和岩粉等悬浮颗粒而具有高悬浮物的特性。
高悬浮物高矿化度矿井水具有以含煤粉为主的高悬浮物特征和Ca2+、Mg2+离子含量较高的高矿化度特征，长期以来作为生产废水未经处理直接外排，对矿区周边村庄、河流及潜水层水质造成了不同程度的影响，灌溉农田会对土壤和农作物产生严重危害。
同时，煤炭工业对水资源的需求量也非常巨大：一是煤炭在开采过程中由于防尘、冷却、冲洗等方面的自用量，按吨煤耗水0.6吨左右，则2010年消耗水资源11.4亿吨，2020年消耗水资源13.2亿吨；二是随着煤炭产业的调整，选煤、焦化、矸石电厂、煤化工厂等大耗水用水的增加，对水资源的需求量增大；三是随着煤炭工业战略西移，矿区淡水问题更加突出，加剧了产业链增长而水资源供应量不足的矛盾。
因我国水资源匮乏，上述的高悬浮物矿井水常被用作生产用水和生活饮用水水源而加以处理利用。
现有技术的煤矿矿井水处理与资源化，按不同的矿井水水型采用不同的处理工艺和方法。矿井水在流经采煤工作面和巷道时，由于带入大量煤粉和岩粉等悬浮颗粒而具有高悬浮物的特性，此外，由于矿工生产生活活动的影响，还使矿井水含有较多的细菌。含悬浮物矿井水分布较广，目前一般经井下水仓初沉后排至地面，采用常规水处理工艺，常规处理工艺流程如图1所示。中国矿业大学（北京）的何绪文等2006年提出了一种名称为“矿井水井下处理系统”、专利（申请）号为“200610114466”的发明专利申请，该发明是针对目前矿井水处理设备都集中在地面上，占地面积大，水的处理和回用输送距离长的现状，开发的一种矿井水井下处理系统。该系统布置在井下，包括沉淀系统、过滤系统、阻垢系统、供水系统，所述矿井水首先经过沉淀系统沉淀，再经过滤系统过滤，后经阻垢系统阻垢后，得到可以回用的清水。所述沉淀系统包括沉淀池，沉淀池包括平流区和斜板区，矿井水依次过平流区和斜板区进行沉淀。所述过滤系统包括初级过滤器、精过滤器，精过滤器为双滤料精过滤器，其内部设有果壳滤料和陶粒滤料两种滤料。阻垢系统的阻垢仪为电子型或永磁型的阻垢装置。还包括反冲洗装置，用于对过滤系统进行清洗。
现有技术对高悬浮物矿井水处理与资源化有较好的效果，但也存在着基建投资大、运行费用和制水成本较高、出水水质不稳定等缺点。
对于含盐高、硬度高的高矿化度矿井水，现有技术大都采用电渗析（ED）或反渗透（RO）技术进行处理，脱盐率与水回收率可达50％～80%以上，出水水质可达到饮用水标准。对高矿化度矿井水采用反渗透技术进行处理，无论出水水质、电耗、脱盐效率、占地面积、自动化程度都是其它工艺所无法比的，是煤矿苦咸水淡化的首选工艺。但高矿化度矿井水采用反渗透技术一般预处理工艺规模比较复杂，并且反渗透膜容易堵塞污染，影响出水水质和水处理系统的运行。
由于现有技术按不同的矿井水水型采用不同的处理工艺和方法，煤矿矿井水处理与资源化效果不理想。长期以来，人们需要一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理技术。
发明内容
本发明目的之一在于，提供一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理技术。
本发明进一步的目的在于，提供一种根据不同矿化度的水质采用不同的反渗透膜自动反冲洗技术和反冲洗化学药剂配方，提高高矿化度矿井水反渗透系统的运行效果、出水水质和水处理系统的运行稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理技术，在矿井原水中投加混凝剂，以使水中悬浮胶体微粒颗粒通过压缩双电层脱稳的常规处理之后，采用微滤膜第一级过滤、超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤三膜逐级过滤技术。
矿井原水经微滤膜第一级过滤后，出水水质可供煤矿井下生产需要。
经超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，并经O3消毒，出水水质可供生活饮用需要。
所述的微滤膜第一级过滤，系采用混凝+微滤组合工艺。膜过滤水槽为一带泥斗的长方体容器，所述的微滤膜采用聚乙烯中空纤维膜，膜孔径0.1 μm，膜丝内径0.27 mm，外径0.42 mm。膜组件直接插入过滤水槽中，其下方设一空气扩散管，起水质混合作用。
所述的超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，亦采用超滤+反渗透组合工艺。超滤膜第二级过滤为反渗透膜第三级过滤的预处理，预处理的目的是除去原水中的悬浮固体、微生物和细菌,调节进水pH 值和水温，防止金属氧化物和微溶盐的沉淀等，使进水达到污染指数SDI≤4、浊度≤0.2 NTU的反渗透进水要求。
膜分离技术是利用具有选择透过性的薄膜，以外界能量或浓度差作为推动力而进行固液分离的方法，与其它分离技术相比，膜分离技术有处理范围广、效率高、能耗低、易于控制等优点。但膜分离技术的一个重要问题是膜污染，并由此造成膜阻力的不断增加，膜通量随过滤时间的不断衰减。
对于微滤膜第一级过滤的污染，本发明采用周期反曝气运行方式以吹脱沉积在膜表面的泥饼层。膜周期反曝气可较大程度地吹脱沉积在膜表面的泥饼层，减小膜污染，恢复膜通量，有效地维持了膜过滤性能的稳定，周期产水量也比较大。
对于超滤膜第二级过滤和反渗透膜第三级过滤的污染，本发明采用物理和化学联合清洗技术，当物理方法清洗效果不理想时，可采用化学清洗法清除膜面上污染物。
所述的超滤膜第二级过滤的物理清洗，可以采用等压水力冲洗法，也可以采用负压反向冲洗法；但最好是采用等压水力冲洗法，因为负压反向冲洗法一旦操作失误，很容易把膜冲裂或者破坏中空纤维或毛细管与粘结剂的粘结面而形成泄漏。
所述的超滤膜第二级过滤的化学清洗，采用2%柠檬酸作为化学药品。2%柠檬酸一是不能与膜及其他组件材质发生任何化学反应或溶解作用，二是不能因为使用化学药品而引起二次污染。
所述的反渗透膜第三级过滤的物理清洗，可以在低压下用淡水或反渗透水与空气混合的高速气液流喷射清洗。
所述的反渗透膜第三级过滤的化学清洗，是采用一定配比的化学药剂的水溶液作清洗剂，通过化学反应脱除膜表面的污染物、杀死及分解膜上微生物。不同的污垢可采用不同配方：
配方1:1:2.0%wt的柠檬酸、pH 值为4.0的清洗液。对于去除无机盐垢( 如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等)，金属氧化物、氢氧化物( 铁、锰、铜、镍、铝等)，及无机胶体效果明显。注意此时应使用氨水调节pH 值，因反应所形成的柠檬酸铵具有很好的螯合性，不能用氢氧化钠调pH 值。
配方2: 2.0%wt的STPP三聚磷酸钠和0.8%wt的Na2-EDTA 混合、pH 值为10.0的清洗液。它专用于去除硫酸钙垢和轻微至中等程度的天然有机污染物。STPP具有无机螯合剂和洗涤剂的功用。Na2-EDTA是一种具有螯合性很强的有机清洗剂，可有效去除二价和三价阳离子和金属离子。
配方3: 1.0%wt的亚硫酸氢钠、pH为11.5的清洗液。它用于去除金属氧化物和氢氧化物，且可一定程度的扩展至去除硫酸钙、硫酸钡和硫酸锶垢。亚硫酸氢钠是强还原剂，能将污垢中的具有氧化性的物质还原并除去。
配方4: 0.1%wt的氢氧化钠和0.03%wt的十二烷基磺酸钠、pH为11.5的混合液。它用于去除天然有机污染物、无机/有机胶体混合污染物和微生物(菌素、藻类、霉菌、真菌)污染。SDS是会产生一些泡沫的阴离子表面活性剂型的洗涤剂。
通过上述的技术方案可以看出本发明具有的有益效果在于：
1.针对高悬浮物、高矿化度矿井水的水质特点，在矿井原水中投加混凝剂，以使水中悬浮胶体微粒颗粒通过压缩双电层脱稳的常规处理之后，采用微滤膜第一级过滤、超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤三膜逐级过滤技术。矿井原水经微滤膜第一级过滤后，出水水质可供煤矿井下生产需要；经超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，并经O3消毒，出水水质可供生活饮用需要，实现了本发明的第一目的。
2.根据不同矿化度的水质采用不同的反渗透膜自动反冲洗技术和反冲洗化学药剂配方，解决了高矿化度矿井水反渗透系统的运行效果不佳的问题，提高出水水质和水处理系统的稳定运行，实现了本发明的第二目的。
3.由于微滤膜分离技术可以达到0.1 微米数量级的固液分离水平，投加混凝剂仅使胶体颗粒通过压缩双电层脱稳即可，无需形成依靠重力沉降的颗粒尺寸，这不仅可以降低混凝剂加药量约50%左右，而且较常规处理工艺增加了可去除污染物的范围。
4.采用超滤技术作为反渗透预处理方式，与常规预处理相比，具有设计易于标准化、操作易于自动化、无需连续投入化学药剂、可降低能耗和人力等优点。由于超滤出水水质好，用超滤作为预处理,可以提高反渗透膜元件的设计流量，延长反渗透膜元件清洗间隔时间，降低其清洗强度和清洗难度，延长反渗透膜元件的使用寿命。超滤工艺的优点和特性：(1) 分离过程不发生相变化，耗能量少。(2) 分离过程可以在常温下进行，不必设热交换器对原水加热，节约能源。(3) 分离过程仅以低压泵提供的压力作为推动力，设备及工艺流程简单，易于操作、管理及维修。(4) 应用范围广，采用系列化不同截留分子量的膜，能将不同分子量溶质的混合液中各组分实行分子量分级，尤其适用于水质较差的原水。预处理系统采用超滤工艺,去除水中的悬浮物、胶体、有机物和铁锰等离子，保证出水有机物含量及污染指数(SDI) 等指标满足反渗透进水要求。脱盐系统采用反渗透工艺去除水中各种溶解固形物即盐份，反渗透几乎能够去除水中的所有杂质，其中复合膜的脱盐率达到99%以上，使产水满足生活饮用及锅炉补给水的水质要求。
附图说明
附图1，常规矿井水处理的一般工艺流程。
附图2，本发明一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理技术流程图。
附图3，本发明的混凝+微滤组合工艺装置示意图。
附图4，本发明的超滤+反渗透组合工艺装置示意图。
图中：
101—PAC加药池，102—PAM加药池，103—计量阀，104—进气阀，105—控制器，106—出水阀，107—原水池，108—进水泵，109—排泥阀，110—膜组件，111—过滤水槽。
201—超滤水泵，202—流量计，203—超滤系统，204—中间水池，205—反渗透低压泵，206—保安过滤器，207—高压泵，208—反渗透系统，209—罗茨风机，210—超滤反洗泵，211—反渗透水池，212—加阻垢剂系统，213—脱盐水池，214—清洗泵，215—清洗水箱，216—不锈钢电动蝶阀，217—手动塑蝶阀，218—UPVC球阀，219—取样阀，220—不锈钢球阀，221—止回阀，222—压力表，223—电导表，224—流量计，225—液位计，226—压力保护装置，227—二级反渗透系统。
具体实施例
实施例一
参照附图2，本发明高悬浮物、高矿化度矿井水处理回用的一体化技术，针对高悬浮物、高矿化度矿井水的水质特点，在矿井原水中投加混凝剂，以使水中悬浮胶体微粒颗粒通过压缩双电层脱稳的常规处理之后，采用微滤膜第一级过滤、超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤三膜逐级过滤技术。
矿井原水经微滤膜第一级过滤后，出水水质可供煤矿井下生产需要。
经超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，并经O3消毒，出水水质可供生活饮用需要。
所述的微滤膜第一级过滤，系采用混凝+微滤组合工艺。
参照附图3，所述的混凝+微滤组合工艺，由一包括PAC加药池101、PAM加药池102、计量阀103、进气阀104、控制器105、出水阀106、原水池107、进水泵108、排泥阀109、膜组件110、过滤水槽111等组成的装置形成。
PAC加药池101和PAM加药池102溶液分别通过计量阀103的调节进入进水泵108的吸水管路，与原水池107中的原水通过叶轮混合后，被泵入过滤水槽111，过滤水槽111为一带泥斗的长方体容器，底部设置有排泥阀109，系统在抽吸泵的抽吸作用下经膜组件110膜过滤获得滤液出水。膜组件110直接插入过滤水槽111中，膜组件110的微滤膜采用聚乙烯中空纤维膜，膜孔径0.1 微米，膜丝内径0.27 毫米，外径0.42 毫米。进气阀104和出水阀106在时间控制器105的控制下交替工作，即进气阀104打开时，出水阀106关闭，此时系统反曝气而停止出水；反之，进气阀104关闭时，出水阀106打开，此时系统过滤出水而反曝气停止，系统根据原水悬浮物（SS）含量，每6～8个周期排除过滤水槽111底部沉泥一次。
膜组件110的微滤膜第一级过滤的污染，采用周期反曝气运行方式以吹脱沉积在膜表面的泥饼层。
参照附图4，所述的超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，亦采用超滤+反渗透组合工艺。
所述的超滤+反渗透组合工艺、由一包括超滤水泵201、流量计202、超滤系统203、中间水池204、反渗透低压泵205、保安过滤器206、高压泵207、一级反渗透系统208、罗茨风机209、超滤反洗泵210、反渗透水池211、加阻垢剂系统212、脱盐水池213、清洗泵214、清洗水箱215、不锈钢电动蝶阀216、手动塑蝶阀217、UPVC球阀218、取样阀219、不锈钢球阀220、止回阀221、压力表222、电导表223、流量计224、液位计225、压力保护装置226，二级反渗透系统227等组成的装置形成。
从第一级过滤系统的出水，经超滤水泵201、止回阀221、不锈钢球阀220、流量计202进入超滤系统203，超滤系统203的出水进入中间水箱204，中间水箱204的水作为反渗透系统的进水，经反渗透低压泵205、保安过滤器206和高压泵207，进入一级反渗透系统208，一级反渗透系统208的浓水进入二级反渗透系统227，一级反渗透系统208的淡水和二级反渗透系统227的淡水进入脱盐水池213，二级反渗透系统227的浓水经手动塑蝶阀217进入反渗透水池211。
当超滤系统进水流量计202数值下降15%时，反渗透水池211中的水经超滤反洗泵210泵入超滤系统203，同时可以采用罗茨风机209辅以空气冲洗，加强反冲洗效果，反冲洗出水排入排水池。
为防止反渗透膜内结垢，加阻垢剂系统212中的阻垢剂连续进入低压泵205的吸水管，经保安过滤器206和高压泵207，进入一级反渗透系统208和二级反渗透系统227，减缓反渗透系统的污染。
清洗水箱215中的清洗水经清洗泵214、保安过滤器对一级反渗透系统208和二级反渗透系统227进行水力反冲洗，经过一级反渗透系统208和二级反渗透系统227的反冲洗的出水进入反渗透水池211。清洗水箱215中的清洗水来自于一级反渗透系统208和二级反渗透系统227的出水。
超滤膜第二级过滤为反渗透膜第三级过滤的预处理，预处理的目的是除去原水中的悬浮固体、微生物和细菌,调节进水pH 值和水温，防止金属氧化物和微溶盐的沉淀等，使进水达到污染指数SDI≤4、浊度≤0.2 NTU的反渗透进水要求。
超滤系统203超滤膜第二级过滤的污染，采用等压水力冲洗法物理清洗和2%柠檬酸为化学药品的化学联合清洗。
一级反渗透系统208反渗透膜第三级过滤污染，采用在低压下用淡水或反渗透水以高速冲向膜面30分钟的物理清洗。
一级反渗透系统208反渗透膜第三级过滤污染的化学清洗，采用1:2.0%wt的柠檬酸、pH 值为4.0的清洗液，主要用于去除无机盐垢( 如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等)，金属氧化物、氢氧化物( 铁、锰、铜、镍、铝等)，及无机胶体等。
实施例二
一级反渗透系统208反渗透膜第三级过滤污染的化学清洗，用2.0%wt的STPP三聚磷酸钠和0.8%wt的Na2-EDTA 混合、pH 值为10.0的清洗液，专用于去除硫酸钙垢和轻微至中等程度的天然有机污染物。
实施例三
一级反渗透系统208反渗透膜第三级过滤污染的化学清洗，采用1.0%wt的亚硫酸氢钠、pH为11.5的清洗液，用于去除金属氧化物和氢氧化物，且可一定程度的扩展至去除硫酸钙、硫酸钡和硫酸锶垢。
实施例四
一级反渗透系统208反渗透膜第三级过滤污染的化学清洗，采用0.1%wt的氢氧化钠和0.03%wt的十二烷基磺酸钠、pH为11.5的混合液，用于去除天然有机污染物、无机/有机胶体混合污染物和微生物(菌素、藻类、霉菌、真菌)污染。
Claims (1)
1.一种高悬浮物高矿化度煤矿矿井水的资源化综合处理工艺，其特征在于：在矿井原水中投加混凝剂，以使水中悬浮胶体微粒颗粒通过压缩双电层脱稳的常规处理之后，采用微滤膜第一级过滤、超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤三膜逐级过滤技术；所述的微滤膜第一级过滤，系采用混凝+微滤组合工艺，由一包括PAC加药池、PAM加药池、计量阀、进气阀、控制器、出水阀、原水池、进水泵、排泥阀、膜组件、过滤水槽组成的装置形成；所述的超滤膜第二级过滤、反渗透膜第三级过滤逐级过滤，亦采用超滤+反渗透组合工艺，由一包括超滤水泵、流量计、超滤系统、中间水池、反渗透低压泵、保安过滤器、高压泵、一级反渗透系统、罗茨风机、超滤反洗泵、反渗透水池、加阻垢剂系、脱盐水池、清洗泵、清洗水箱、不锈钢电动蝶阀、手动塑蝶阀、UPVC球阀、取样阀、不锈钢球阀、止回阀、压力表、电导表、流量计、液位计、压力保护装置，二级反渗透系统组成的装置形成；所述的膜组件的微滤膜采用聚乙烯中空纤维膜，膜孔径0.1μm，膜丝内径0.27mm，外径0.42mm；所述的膜组件的微滤膜第一级过滤的污染，采用周期反曝气运行方式；所述的超滤膜第二级过滤和反渗透膜第三级过滤的污染，采用物理清洗和化学联合清洗技术；所述的超滤膜第二级过滤的物理清洗，采用等压水力冲洗法；所述的超滤膜第二级过滤的化学清洗，采用2%柠檬酸作为化学药品；所述的反渗透膜第三级过滤的物理清洗，采用在低压下用淡水或反渗透水与空气混合的高速气液流喷射清洗。
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